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111 學年度台聯大微積分 A3/A4/A6 第 1 題

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111學年度 · 111台聯大微積分A3/A4/A6 · 第 1 題

題目

Problem

  1. Evaluate lim⁡n→∞(1nn+1+1nn+2+⋯+1nn+n)\displaystyle\lim_{n\to\infty} \left( \frac{1}{\sqrt{n}\sqrt{n+1}} + \frac{1}{\sqrt{n}\sqrt{n+2}} + \cdots + \frac{1}{\sqrt{n}\sqrt{n+n}} \right).

解答

解法一:黎曼和直接積分法

思路

展開
  1. 將級數極限整理為包含 kn\frac{k}{n} 與外部因子 1n\frac{1}{n} 的黎曼和(Riemann Sum)形式。
  2. 原式可化簡為: lim⁡n→∞∑k=1n1nn+k=lim⁡n→∞∑k=1n1n11+kn\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{n}\sqrt{n+k}} = \lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{1}{n} \frac{1}{\sqrt{1+\frac{k}{n}}}
  3. 將其轉換為區間 [0,1][0, 1] 上的定積分: ∫0111+x dx\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{1+x}}\,\mathrm{d}x
  4. 利用基本冪函數的積分公式求解。

答題過程

展開

將級數以求和符號表示,並進行通項整理:

lim⁡n→∞∑k=1n1nn+k=lim⁡n→∞∑k=1n1n2(1+kn)=lim⁡n→∞∑k=1n1n⋅11+kn\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{n}\sqrt{n+k}} = \lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{n^2\left(1+\frac{k}{n}\right)}} = \lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{1}{n} \cdot \frac{1}{\sqrt{1+\frac{k}{n}}}

此式為函數 f(x)=11+xf(x) = \frac{1}{\sqrt{1+x}} 在區間 [0,1][0, 1] 上的右黎曼和。 當 n→∞n \to \infty 時,此極限收斂至定積分:

∫0111+x dx=∫01(1+x)−1/2 dx\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{1+x}}\,\mathrm{d}x = \int_0^1 (1+x)^{-1/2}\,\mathrm{d}x

計算此定積分:

[2(1+x)1/2]01=22−21=2(2−1)\left[ 2(1+x)^{1/2} \right]_0^1 = 2\sqrt{2} - 2\sqrt{1} = \boxed{2(\sqrt{2}-1)}

解法二:變數代換積分法

思路

展開
  1. 將極限寫成定積分 ∫0111+x dx\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{1+x}}\,\mathrm{d}x。
  2. 進行變數代換,令 u=1+xu = \sqrt{1+x} 以消去根號。
  3. 計算微分關係與對應的上下限,並求解積分值。

答題過程

展開

原極限式寫成定積分:

I=∫0111+x dxI = \int_0^1 \frac{1}{\sqrt{1+x}}\,\mathrm{d}x

使用變數代換,令 u=1+x  ⟹  u2=1+x  ⟹  2u du=dxu = \sqrt{1+x} \implies u^2 = 1+x \implies 2u\,\mathrm{d}u = \mathrm{d}x:

  • 當 x=0  ⟹  u=1x = 0 \implies u = 1。
  • 當 x=1  ⟹  u=2x = 1 \implies u = \sqrt{2}。

代入積分式:

I=∫121u⋅2u du=∫122 du=[2u]12=2(2−1)I = \int_1^{\sqrt{2}} \frac{1}{u} \cdot 2u\,\mathrm{d}u = \int_1^{\sqrt{2}} 2\,\mathrm{d}u = \left[ 2u \right]_1^{\sqrt{2}} = \boxed{2(\sqrt{2}-1)}